自动控制原理PDF电子书下载

第1章 自动控制的一般概念 1

1.1引言 1

1.2自动控制理论发展概述 1

1.3自动控制和自动控制系统的基本概念 3

1.3.1自动控制问题的提出 3

1.3.2开环控制系统 4

1.3.3闭环控制系统 5

1.3.4开环控制系统与闭环控制系统的比较 6

1.3.5复合控制系统 7

1.4自动控制系统的基本组成 7

1.5控制系统示例 8

1.6自动控制系统的分类 11

1.6.1恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统 11

1.6.2定常系统和时变系统 12

1.6.3线性系统和非线性系统 12

1.6.4连续系统和离散系统 12

1.6.5单变量系统和多变量系统 12

1.7对控制系统性能的基本要求 12

1.8本课程的研究内容 14

第1章小结 14

习题1 15

第2章 控制系统的数学模型 20

2.1引言 20

2.2控制系统的时域数学模型 20

2.2.1线性元部件、线性系统微分方程的建立 20

2.2.2非线性系统微分方程的线性化 23

2.2.3线性定常微分方程的求解 25

2.2.4运动的模态 25

2.3控制系统的复域数学模型 26

2.3.1传递函数 26

2.3.2常用控制元件的传递函数 27

2.3.3典型环节 32

2.3.4传递函数的标准形式 33

2.4控制系统的结构图及其等效变换 34

2.4.1结构图 34

2.4.2结构图等效变换 35

2.5控制系统的信号流图 39

2.5.1信号流图 39

2.5.2梅逊增益公式 40

2.6控制系统的传递函数 42

2.6.1系统的开环传递函数 42

2.6.2闭环系统的传递函数 43

2.6.3闭环系统的误差传递函数 43

第2章小结 44

习题2 44

第3章 线性系统的时域分析与校正 51

3.1概述 51

3.1.1时域法的作用和特点 51

3.1.2时域法常用的典型输入信号 51

3.1.3系统的时域性能指标 51

3.2一阶系统的时间响应及动态性能 53

3.2.1一阶系统传递函数标准形式及单位阶跃响应 53

3.2.2一阶系统动态性能指标计算 53

3.2.3典型输入下一阶系统的响应 54

3.3二阶系统的时间响应及动态性能 56

3.3.1二阶系统传递函数标准形式及分类 56

3.3.2过阻尼二阶系统动态性能指标计算 57

3.3.3欠阻尼二阶系统动态性能指标计算 59

3.3.4改善二阶系统动态性能的措施 70

3.3.5附加闭环零、极点对系统动态性能的影响 71

3.4高阶系统的阶跃响应及动态性能 74

3.4.1高阶系统单位阶跃响应 74

3.4.2闭环主导极点 74

3.4.3估算高阶系统动态性能指标的零点极点法 75

3.5线性系统的稳定性分析 77

3.5.1稳定性的概念 77

3.5.2稳定的充分必要条件 77

3.5.3稳定判据 78

3.6线性系统的稳态误差 81

3.6.1误差与稳态误差 81

3.6.2计算稳态误差的一般方法 82

3.6.3静态误差系数法 83

3.6.4干扰作用引起的稳态误差分析 86

3.6.5动态误差系数法 87

3.7线性系统时域校正 90

3.7.1反馈校正 90

3.7.2复合校正 92

第3章小结 95

习题3 95

第4章 根轨迹法 104

4.1根轨迹法的基本概念 104

4.1.1根轨迹的基本概念 104

4.1.2根轨迹与系统性能 105

4.1.3闭环零、极点与开环零、极点之间的关系 106

4.1.4根轨迹方程 107

4.2绘制根轨迹的基本法则 108

4.3广义根轨迹 117

4.3.1参数根轨迹 118

4.3.2零度根轨迹 119

4.4利用根轨迹分析系统性能 122

4.4.1利用闭环主导极点估算系统的性能指标 122

4.4.2开环零、极点分布对系统性能的影响 127

第4章小结 131

习题4 131

第5章 线性系统的频域分析与校正 135

5.1频率特性的基本概念 135

5.1.1频率响应 135

5.1.2频率特性 136

5.1.3频率特性的图形表示方法 137

5.2幅相频率特性（Nyquist图） 139

5.2.1典型环节的幅相特性曲线 140

5.2.2开环系统幅相特性曲线的绘制 147

5.3对数频率特性（Bode图） 150

5.3.1典型环节的Bode图 150

5.3.2开环系统Bode图的绘制 154

5.3.3由对数幅频特性曲线确定开环传递函数 156

5.3.4最小相角系统和非最小相角系统 157

5.4频域稳定判据 159

5.4.1奈奎斯特稳定判据 159

5.4.2奈奎斯特稳定判据的应用 163

5.4.3对数稳定判据 164

5.5稳定裕度 166

5.5.1稳定裕度的定义 166

5.5.2稳定裕度的计算 167

5.6利用开环对数幅频特性分析系统的性能 169

5.6.1 L（ω）低频段特性与系统稳态误差的关系 169

5.6.2 L（ω）中频段特性与系统动态性能的关系 170

5.6.3 L（ω）高频段特性与系统抗高频干扰能力的关系 174

5.7闭环频率特性曲线的绘制 175

5.7.1用向量法求闭环频率特性 175

5.7.2尼柯尔斯图线 175

5.8利用闭环频率特性分析系统的性能 177

5.8.1闭环频率特性的几个特征量 177

5.8.2闭环频域指标与时域指标的关系 177

5.9频率法串联校正 181

5.9.1相位超前校正 181

5.9.2相位滞后校正 185

5.9.3串联滞后-超前校正 190

5.9.4串联PID校正 193

第5章小结 196

习题5 197

第6章 线性离散系统的分析与校正 207

6.1离散系统 207

6.2信号采样与保持 208

6.2.1信号采样 208

6.2.2采样定理 209

6.2.3采样周期的选择 211

6.2.4零阶保持器 211

6.3 z变换 213

6.3.1 z变换定义 213

6.3.2 z变换方法 213

6.3.3 z变换基本定理 215

6.3.4 z反变换 218

6.3.5 z变换法的局限性 220

6.4离散系统的数学模型 220

6.4.1差分方程及其解法 220

6.4.2脉冲传递函数 222

6.4.3开环系统脉冲传递函数 224

6.4.4闭环系统脉冲传递函数 226

6.5稳定性分析 228

6.5.1s域到z域的映射 229

6.5.2稳定的充分必要条件 229

6.5.3稳定性判据 230

6.6稳态误差计算 234

6.6.1一般方法（利用终值定理） 234

6.6.2静态误差系数法 235

6.6.3动态误差系数法 237

6.7动态性能分析 238

6.7.1闭环极点分布与瞬态响应 238

6.7.2动态性能分析 241

6.8离散系统的模拟化校正 242

6.8.1常用的离散化方法 243

6.8.2模拟化校正举例 244

6.9离散系统的数字校正 247

6.9.1数字控制器的脉冲传递函数 247

6.9.2最少拍系统设计 247

第6章小结 252

习题6 252

第7章 非线性控制系统分析 257

7.1非线性控制系统概述 257

7.1.1非线性现象的普遍性 257

7.1.2控制系统中的典型非线性特性 257

7.1.3非线性控制系统的特殊性 259

7.1.4非线性控制系统的分析方法 260

7.2相平面法 261

7.2.1相平面的基本概念 261

7.2.2相轨迹的性质 261

7.2.3相轨迹的绘制 262

7.2.4由相轨迹求时间解 264

7.2.5二阶线性系统的相轨迹 265

7.2.6非线性系统的相平面分析 267

7.3描述函数法 273

7.3.1描述函数的基本概念 273

7.3.2典型非线性特性的描述函数 274

7.3.3用描述函数法分析非线性系统 279

7.4改善非线性系统性能的措施 284

7.4.1调整线性部分的结构参数 284

7.4.2改变非线性特性 285

7.4.3非线性特性的利用 286

第7章小结 286

习题7 287

第8章 控制系统的状态空间分析与综合 292

8.1控制系统的状态空间描述 292

8.1.1系统数学描述的两种基本方法 292

8.1.2状态空间描述常用的基本概念 293

8.1.3系统的传递函数矩阵 295

8.1.4线性定常系统动态方程的建立 296

8.2线性系统的运动分析 310

8.2.1线性定常连续系统的自由运动 310

8.2.2状态转移矩阵的性质 313

8.2.3线性定常连续系统的受控运动 314

8.2.4线性定常离散系统的运动分析 315

8.2.5连续系统的离散化 316

8.3控制系统的李雅普诺夫稳定性分析 317

8.3.1李雅普诺夫稳定性概念 317

8.3.2李雅普诺夫稳定性间接判别法 319

8.3.3李雅普诺夫稳定性直接判别法 320

8.3.4线性定常系统的李雅普诺夫稳定性分析 323

8.3.5李雅普诺夫稳定性、BIBS稳定性、BIBO稳定性之间的关系 325

8.4线性系统的可控性和可观测性 325

8.4.1可控性和可观测性的概念 325

8.4.2线性定常系统的可控性 326

8.4.3线性定常系统的可观测性 334

8.4.4可控性、可观测性与传递函数矩阵的关系 338

8.4.5连续系统离散化后的可控性与可观测性 343

8.5线性系统非奇异线性变换及系统的规范分解 344

8.5.1线性系统的非奇异线性变换及其性质 344

8.5.2几种常用的线性变换 345

8.5.3对偶原理 349

8.5.4线性系统的规范分解 350

8.6线性定常控制系统的综合设计 353

8.6.1状态反馈与极点配置 353

8.6.2输出反馈与极点配置 357

8.6.3状态重构与状态观测器设计 358

8.6.4降维状态观测器的概念 362

第8章小结 362

习题8 363

附录 368

A拉普拉斯变换及反变换 368

B常见的无源及有源校正网络 371

C综合练习题 373

D习题答案 380

参考文献 395